Моделирование раскрывает, как бактериальный органоид преобразует солнечный свет в химическую энергию

Ученые смоделировали каждый атом светособирающей структуры в фотосинтезирующей бактерии, которая генерирует энергию для организма. Смоделированный органоид ведет себя точно так же, как его природный аналог. Эта работа — важный шаг к пониманию того, как некоторые биологические структуры преобразуют солнечный свет в химическую энергию.

Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Cell.

Команду изначально возглавлял профессор физики Университета Иллинойса Клаус Шультен, работа продолжилась после его смерти в 2016 году. Исследование частично воплощает давнюю мечту Шультена — раскрыть механизмы, с помощью которых взаимодействия на атомном уровне строят и оживляют живые системы.

Шультен решил изучать фотосинтетические системы в самом начале своей карьеры. Он и его коллега Мелих Сенер смоделировали хроматофор — примитивный фотосинтетический органоид, производящий химическую энергию в форме молекулы АТФ. Эта работа включала долгосрочное сотрудничество с Нилом Хантером из Университета Шеффилда, который предоставил большую часть экспериментальных данных.

«Шультен был физиком; он хотел понять биологию на уровне физики. Но затем он осознал, что биология работает только если включить в модель всю сложность. И единственный способ сделать это — с помощью суперкомпьютеров».

На протяжении многих лет Шультен привлекал и поддерживал коллабораторов. Команда построила модель хроматофора из 136 миллионов атомов, что потребовало колоссальных вычислительных мощностей суперкомпьютеров в течение четырех лет. Работа проводилась на суперкомпьютерах Titan и Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж и на Blue Waters в Университете Иллинойса.

«Хроматофор имеет антенну, батарею и мотор», — пояснил ведущий автор исследования Абхишек Сингхарой. Антенна улавливает свет, батарея направляет эту энергию к мотору, а мотор производит АТФ.

Выяснение того, как работает система, потребовало собрать все части воедино. Это означало разобрать хроматофор с помощью всех доступных науке инструментов: от лабораторных экспериментов и электронной микроскопии до инноваций в программировании.

Когда у исследователей появилась рабочая модель хроматофора, они наблюдали симуляции, раскрывающие, как органоид функционирует в различных сценариях. Например, они меняли концентрацию соли в окружающей среде, чтобы увидеть, как он справляется со стрессом.

При воздействии типичных для клетки условий смоделированный органоид повел себя неожиданно. Он немедленно стал менее сферическим, а определенные белки, встроенные в мембрану, начали слипаться.

«Мы начали с идеальной сферы, но очень быстро она стала несовершенной, с плоскими участками и областями с высокой кривизной. И все это, как показывают наши расчеты, имеет биологическую роль».

Исследователи обнаружили, что слипающиеся белки создают участки с положительными и отрицательными зарядами, которые облегчают распределение электронов по системе. В конечном итоге электроны обмениваются на протоны, которые приводят в действие фермент АТФ-синтазу — мотор, производящий АТФ.

«Структура хроматофора похожа на принципиальную схему. Если вы знаете, как в нем перемещаются энергия и заряды, вы знаете, как работает машина. Хроматофор — это, по сути, электронное устройство».

Исследование подтверждает, что на атомном уровне физика управляет биологией. Эта работа будет способствовать будущим исследованиям более сложных энергогенерирующих органелл у других микроорганизмов, растений и животных. Она также углубит понимание учеными природного решения вечной человеческой проблемы: как эффективно извлекать энергию из окружающей среды, не отравляя себя.